晶閘管弧焊整流器

1第五章晶閘管弧焊整流器2第一節(jié)概述第二節(jié)主電路第三節(jié)觸發(fā)電路第四節(jié)外特性控制電路第五節(jié)

晶閘管式弧焊整流器典型產(chǎn)品介紹第六節(jié)

晶閘管式脈沖及矩形波交流弧焊電源3第一節(jié)概述二極管：一個PN結(jié)三極管：PNP，NPN晶閘管：兩個PN結(jié)陽極A

陰極K

控制極G

P

N

P

N

A

GNN

PP

KPN一個晶閘管等效為兩個三極管。4

晶閘管導通條件：1）晶閘管陽極加上正向電壓U；2）控制極加上適當?shù)耐秸蛴|發(fā)電壓Ug

。晶閘管導通后，只要正向電流I的大小等于或大于晶閘管的維持電流，即使去掉控制極上的觸發(fā)電壓Ug，晶閘管也仍然維持導通狀態(tài)。

晶閘管關(guān)斷方法：1）使晶閘管的陽極電流低于維持電流或切斷陽極電流（適合于低頻電路）。2）在晶閘管陽極和陰極之間加一反向電壓（常用的方法）。5圖5-1晶閘管式弧焊整流器基本原理圖晶閘管式弧焊整流器的主要組成6

晶閘管整流器的主要特點1.動特性好，響應速度快2.控制性能好3.調(diào)節(jié)特性好4.節(jié)能、省材7第二節(jié)晶閘管式弧焊整流器主電路一、三相橋式半控整流電路二、三相橋式全控整流電路三、六相半波整流電路四、帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路8一、三相橋式半控整流電路電阻性負載電阻電感性負載91、電阻性負載α=0oα=60oVT1、3、5：三個共陰極晶閘管，其管子導通規(guī)律是陽極電位最高且控制極加有有效脈沖的管子導通；VD2、4、6：三個共陽極二極管，其管子導通規(guī)律是陰極電位最低的管子導通。10三個二極管導通情況三個晶閘管導通情況負載電壓為三相電壓信號上包絡線與下包絡線之差。控制角α

=0o11α>60o后便會發(fā)生波形不連續(xù)了。Ufz

控制角α

=60o三個晶閘管導通情況

ωt1時，三個共陰極晶閘管中VT1陽極電位Ua最高，VT1導通，其電位鉗位到VT3、VT5的陰極，使VT5的陰極電位比陽極電位高而截止。ωt1

至ωt3中點處之后，出現(xiàn)Ub>Ua，但仍然是VT1導通，是因為此時盡管Ub最大，但VT3觸發(fā)端沒加觸發(fā)脈沖，故仍截止。ωt3時，VT3陽極電位Ub最高，且控制極加觸發(fā)脈沖，VT3導通；VT3導通后陽極電位鉗位到VT1陰極使它截止。每個管子導通角為120°，導通順序為1、3、5循環(huán)三個二極管導通情況ωt2時，Uc最低，對應的二極管VD6導通，導通后Uc鉗位到VD2、VD4陽極使VD2、VD4截止。依次類推每個管子導通角為120°。管子導通順序為6、2、4、6循環(huán)。負載電壓為：Ufz=1.17U2(1+cosα)U2是相電壓的有效值。電阻性負載三相橋式半控整流電路的電流波形在一個周期中只有三個波峰，脈動大，甚至出現(xiàn)不連續(xù)，因此不能滿足弧焊要求。12VD72、電阻電感性負載L足夠大時，負載電壓Ufz

為零時，負載電流減少產(chǎn)生自感電勢，ifz不中止。在VT1、VD6繼續(xù)導通。至ωt3時，雖然Uac=0，但二極管中由VD6自然換相為VD2導通，于是L、Rfz、VD2和VT1之間構(gòu)成回路，由L上的自感電動勢繼續(xù)為VT1提供正向電壓使其不能及時關(guān)斷。VT1繼續(xù)導通多長時間取決于L中存儲的能量的大小，甚至延長到VT3被觸發(fā)為止。與純電阻負載相比，晶閘管的導通角失控，不能正常關(guān)斷。避免失控的方法：

在負載兩端接上續(xù)流二極管VD7，這樣當整流電壓間斷時，由L、Rfz和VD7構(gòu)成回路續(xù)流，既使ifz不中止，又使晶閘管按時關(guān)斷。13二、三相橋式全控整流電路

電阻性負載

電阻電感性負載14電阻性負載控制角α

=0o各晶閘管分別導通120°15控制角α

=0o時的觸發(fā)脈沖信號16電阻性負載三相橋式全控電路a=60°時負載電壓波形各晶閘管依然分別導通120°，但輸出功率降低。17電阻性負載三相橋式全控電路a=90°時的負載電壓波形各晶閘管導通時間不足120°，輸出波形不再連續(xù)。18電阻電感性負載三相橋式全控整流電路的負載電壓平均值：

Ud=2.34U2cosα19三、六相半波整流電路鐵心有三個心柱，每個心柱上各有一個一次繞組和兩個二次繞組（如a和-a），兩個二次繞組的非同名端相連。只要控制級有觸發(fā)信號，六個共陰極晶閘管的導通規(guī)律是陽極電位最高的管子導通。只需單管導通即可構(gòu)成回路。六個管子輪流導通。20電阻性負載

α=0°

相電壓60°時為自然換相點。六個管子輪流導通各60°

。bufz-ca-b-bc-aaωt0-cωt1ωt2ωt3ωt4ωt5ωt6ωt1ωt2a）ufz波形612345612b）晶閘管導電順序圖6-20a=0°時六相半波可控整流波形21α

=60o時六相半波可控整流波形α>60o后,便會發(fā)生波形不連續(xù)了。α

=120o時，輸出電壓Ufz=022

（2）電阻電感性負載六相半波整流電路的負載電壓平均值：Ud=1.35U2cosαα

=0o時，Ufz

=1.35U2；α

=90o時，Ufz=023四、帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路1、組成2、平衡電抗器LB的作用3、管子導通的波形圖4、不同控制角情況下波形圖5、晶閘管弧焊整流器主電路的比較24VT1、3、5VT4、6、2VT1、3、5組成三相半波整流電路，稱為正極性組；VT2、4、6組成三相半波整流電路，稱為反極性組。平衡電抗器25

（1）將LB短接成六相半波整流電路。

α

=0o，ωt1+時Ua最高，U-b次高，VT1導通后因

Ua>U-b，故VT6承受反向電壓而截止。平衡電抗器LB的作用26（2）接入LB

ωt1+時Ua最高，VT1導通，電流通過LB的OM流至負載，在OM上產(chǎn)生的電勢極性是右正左負。在ON上也是右正左負。UOM與Ua極性相反，使VT1的陽極電位降低了UOM；而UON與U-b極性相同，使VT6的陽極電位提高了UON。從而使VTI、VT6陽極電位相同而同時導通。UON=UOM=（Ua-U-b）/227VT1、3、5VT4、6、2

ωt2+時

當Ua過了峰值之后至wt2之前，反極性組中u-c高于u-b，于是VT2導通而VT6關(guān)斷，則該階段由VT1、VT2同時導通。過了wt2之后u-c電壓最高，VT2繼續(xù)導通且該支路電流較大，于是LB的感應的電動勢極性如右所示。借此提高了M點與VT1陽極電位，而降低了N點與VT2陽極電位，使二者陽極電位趨于相等。因而VT1繼續(xù)導通。直到過了U-c的峰值之后，則正極性組中Ub電壓最高，于是VT3導通，VT1關(guān)斷，由VT3與VT2同時導通。28特點：1）每個整流元件最大導通角為120度，負載電流Ifz同時由兩個整流元件和兩個變壓器組提供，提高了利用率，也提高了電源功率。2）負載電壓瞬時值等于與導通管相應的兩相電壓瞬時值的平均值。3）平衡電抗器兩端電壓近似于三角波，頻率為電網(wǎng)電壓的三倍。294、不同控制角情況下波形圖α

=30o

30α

=60o31uMPωtabcduNP-a-c-bωt-ca-bα

=90o帶平衡電抗器雙反星形整流電路的負載電壓平均值：

Ud=1.17U2cosα32帶平衡電抗器雙反星形整流器的特點

（1）它相當于兩組三相半波整流電路并聯(lián)，各相電流流通時間可達120°，因此變壓器和整流元件的利用率高。每個晶閘管只分擔六分之一負載電流。（2）觸發(fā)電路比三相橋式半控整流電路的復雜，比三相橋式全控整流電路的簡單。（3）整流電壓波形為每個周波六個波峰，其脈動程度較小，因此輸出電抗器體積較小。（4）應避免鐵心被直流成分所磁化，要求兩組整流電路的參數(shù)（變壓器匝數(shù)和漏感）應基本對稱。33晶閘管弧焊整流器主電路比較30°34第三節(jié)觸發(fā)電路一、對觸發(fā)電路的要求二、需要的觸發(fā)電路套數(shù)三、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路四、晶體管觸發(fā)電路

35一、對觸發(fā)電路的要求1.生成足夠功率的觸發(fā)脈沖。2.觸發(fā)脈沖與晶閘管的陽極電壓必須同步。3.觸發(fā)脈沖應能移相并達到要求的移相范圍。

三相橋式全控、帶平衡電抗器雙反星形與六相半波可控整流電路要求觸發(fā)脈沖移相范圍為0~90度；三相橋式半控整流電路觸發(fā)脈沖移相范圍為0~180度。36二、需要的觸發(fā)電路套數(shù)1.六套移相范圍為0~90度主電路適用的形式：三相橋式全控、六相半波可控整流電路。適用于ZDK-500型、GS400SS型弧焊整流器。缺點：觸發(fā)套數(shù)過多，難以保證三相電路平衡，增加電路故障的可能性。372.三套383.兩套一套觸發(fā)正極性組a、b、c所對應的晶閘管VT1、3、5；另一套觸發(fā)負極性組-a、-b、-c所對應的晶閘管VT2、4、6。當?shù)谝粋€觸發(fā)脈沖Ug1出現(xiàn)時，Ua最負，使VT1導通，其正向電壓很小，且電阻R上的壓降忽略不計，因而Q點的電位近似為Ua。VT5、VT3承受反向壓降而截止。因而VT陽極不與VT3、5的陰極相通。VT承受相隔120度的一系列脈沖觸發(fā)。在wt1+時VT觸發(fā)脈沖1使VT導通，從而使VT1控制極承受其陽極電壓ua的一部分，也導通。VT1一旦導通，其正向壓降只有1V左右，不足以維持VT繼續(xù)導通，而使其關(guān)斷，為觸發(fā)另一晶閘管做準備。wt2+時，脈沖2觸發(fā)VT，ub最負，VT3導通。最后VT5導通Q39三、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1.單結(jié)晶體管一個PN結(jié)，兩個基極。

B2

RB2

E

RB1

B1B2B1E單結(jié)晶體管導通原理402.ZX5系列晶閘管弧焊整流器的觸發(fā)電路

脈沖產(chǎn)生與移相電路同步信號產(chǎn)生電路41脈沖產(chǎn)生與移相原理當Uk輸入負值時，晶體管V3、V4導通，C4、C5充電，到達VU1、VU2的峰值電壓時，VU1、VU2導通。由于C4和VU1、C5和VU2組成馳騁振蕩電路，C4、C5不斷的進行充放點，在脈沖變壓器T4、T3兩端產(chǎn)生兩套觸發(fā)脈沖。移相原理：Uk越負，則C4、C5充電越快，產(chǎn)生第一個脈沖越早，主電路中相應的晶閘管的控制角就越??；反之控制角越大。因而控制Uk的大小就控制了脈沖的移相。Uk值確定控制角的大小42

同步電路的工作原理

要求產(chǎn)生兩套觸發(fā)脈沖，同套之間相鄰脈沖相位相差120度，兩套之間相鄰脈沖之間相位相差60度。通過C4、C5兩端各并聯(lián)一個晶體管V1、V2，控制C4、C5的充放電實現(xiàn)。在各自的同步點上，由同步信號使V1、V2瞬間飽和導通，則C4、C5瞬即放完電，起清零作用，以便在同步點后按Uk確定的速度從零開始充電。這樣產(chǎn)生第一個有效脈沖。1）T2三相次極電壓信號Ua、Ub、Uc經(jīng)R1-3分壓，VS1-6正、反方向雙向穩(wěn)壓，在10、11、12對點13之間各得正、反方向矩形波如下圖所示。2）各矩形波經(jīng)過C1-3、R58構(gòu)成的微分電路，在正矩形波的上升沿、負矩形波的下降沿分別產(chǎn)生尖的脈沖與負脈沖信號。3）每個正脈沖（或負脈沖）之間相差120度。4）在R58上產(chǎn)生正、負脈沖相間，相位相差60度的脈沖信號。5）正脈沖經(jīng)VD1、VD4連接到V1的基極；負脈沖經(jīng)VD3、VD2連接到V2的基極，控制V1、V2的導通，從而滿足同步要求。4344

四、晶體管觸發(fā)電路（同步電壓為正弦波的觸發(fā)電路）

V1（開關(guān)）、V2（跟隨器）、V3（功放），TI（脈沖變壓器）Uy（直流電源電壓），Uk（直流控制電壓），Ut（同步電壓）45（1）觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生原理46（2）脈沖的移相47（3）同步電壓的產(chǎn)生4849第四節(jié)外特性控制電路一、閉環(huán)控制基本原理二、閉環(huán)控制電路舉例50晶閘管式弧焊整流器開環(huán)控制框圖控制電壓Uk系統(tǒng)傳遞函數(shù)電源的等效內(nèi)阻Rf為負載電阻51晶閘管式弧焊整流器的閉環(huán)特性

Ｕf=Ａ0Ｕk-ＩfＲ0外特性控制方程：Uk=Uk

u+Uk

i=Am（Ug

u-mUf）+An（Ugi-nIf

）陡降特性弧焊電源外特性曲線電流、電壓負反饋外特性常用外特性弧壓負反饋電流負反饋52

不同外特性控制原理：

（1）恒流外特性：只采用電流負反饋An（Ugi–nIf）=0

If=Ugi（2）恒壓外特性：只采用電壓負反饋Am（Ugu–mUf）=0

Uf=Ugu

（3）混合反饋：

1）采用電流與電壓聯(lián)合反饋Am(Ugu–mUf)+An(Ugi-nIf)=0

2）按電壓大小采用反饋當電壓大于一定值時只采用電流負反饋，當電壓小于一定值時采用電壓與電流聯(lián)合反饋形式。53

只用電壓負反饋只用電流負反饋用電流截止負反饋同時采用電流、電壓負反饋上端采用電流負反饋，下端同時采用電流負反饋與電壓負反饋。采用閉環(huán)控制后所獲得的外特性54外特性控制電路a)分流器采樣與放大電路b)誤差放大器電路Uk=-R1/R2(Ugi-Ufi)電流采樣反饋控制電路（陡降外特性）Uk=-k（Ugi–nIf）55電壓反饋控制電路（平特性控制電路）56電流負反饋帶截止

145點與接地之間接有穩(wěn)壓管VS7，使電流負反饋帶截止。If很小時，|Uk

|很大，若|Uk

|大于VS7的穩(wěn)壓值，145點與接地間的電壓將維持為VS7的穩(wěn)壓值，即電流負反饋作用被截止。只有在If達到某個臨界電流值之后，使|Uk

|小于VS7的穩(wěn)壓值時，145點與接地的電壓才與nIf有關(guān)，才有電流負反饋作用。電流截止負反饋Uk=Am（Ug

u-mUf）+An（Ugi-nIf

）57第六節(jié)晶閘管式脈沖

及矩形波交流弧焊電源一、晶閘管式脈沖弧焊電源二、晶閘管式矩形波交流弧焊電源以晶閘管作為開關(guān)產(chǎn)生脈沖波形的弧焊電源。58一、晶閘管式脈沖弧焊電源

晶閘管給定值式脈沖弧焊電源

晶閘管斷續(xù)器式脈沖弧焊電源59其控制電路與晶閘管式弧焊整流器基本相同。不同之處在于控制電路中比較環(huán)節(jié)的給定值為脈沖電壓，而不是直流電壓。60晶閘管斷續(xù)器式脈沖弧焊電源按晶閘管斷續(xù)器的結(jié)構(gòu)形式可分為兩類：雙電源式單電源式交流斷續(xù)器直流斷續(xù)器61

串連式并連式由并聯(lián)工作的兩個電源供電?；倦娏饔深~定電流較小的直流電源供電；脈沖電流由直流弧焊電源(弧焊整流器或直流弧焊發(fā)電機)和晶閘管斷續(xù)器串聯(lián)或并聯(lián)組成的電源裝置供電，其額定電流較大。62采用單電源直流斷續(xù)器的晶閘管式脈沖弧焊電源晶閘管直流斷續(xù)器輸出電流波形直流弧焊電源63晶閘管式矩形波交流弧焊電源矩形波交流弧焊電源又稱方波交流弧焊電源。常用于鋁合金交流鎢極氬弧焊。晶閘管橋的開關(guān)直流電抗器的儲能正弦波交流電流矩形波交流電流逆變器式晶閘管電抗器式數(shù)字開關(guān)式與單相橋式全控整流電路相比較，不是把電弧放在直流一側(cè)與DK相串聯(lián)，而是將其放在交流一側(cè)與變壓器二次繞組相串聯(lián)。DK是帶有間隙的電抗器，由于其電感量很大，具有儲能及續(xù)流作用，從而保證了小電流的連續(xù)性。64第五節(jié)晶閘管式弧焊整流器典型產(chǎn)品介紹ZX5系列晶閘管式弧焊整流器由主電路、觸發(fā)電路與控制電路組成。主電路為帶平衡電抗器雙反星形形式。觸發(fā)電路為單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。65圖5-66ZX5-400型晶閘管式弧焊整流器電氣原理圖交流接觸器，用于接通與斷開主電路主變壓器的一次為星形連接二次為帶平衡電抗器的雙反星形連接六只晶閘管均采用共陽極接法，有利于散熱與觸發(fā)電風扇66圖5-67控制電路簡化圖晶閘管移項觸發(fā)電路UK送至圖5-30中產(chǎn)生觸發(fā)脈沖分別觸發(fā)圖5-66中V7與V8外特性控制電路從RS上獲得電